8.5: Catabolismo de Lípidos y Proteínas

Objetivos de aprendizaje

• Describir cómo se catabolizan los lípidos
• Describir cómo se puede utilizar el catabolismo lipídico para identificar microbios
• Describir cómo se catabolizan las proteínas
• Describir cómo se puede usar el catabolismo proteico para identificar bacterias

Secciones anteriores han discutido el catabolismo de la glucosa, que proporciona energía a las células vivas, así como cómo los polisacáridos como el glucógeno, el almidón y la celulosa se degradan a monómeros de glucosa. Pero los microbios consumen más que solo carbohidratos como alimento. De hecho, el mundo microbiano es conocido por su capacidad para degradar una amplia gama de moléculas, tanto de origen natural como las elaboradas por procesos humanos, para su uso como fuentes de carbono. En esta sección, veremos que las vías para el catabolismo de lípidos y proteínas se conectan con las utilizadas para el catabolismo de carbohidratos, conduciendo finalmente a la glucólisis, la reacción de transición y las vías del ciclo de Krebs. Las vías metabólicas deben considerarse porosas, es decir, las sustancias ingresan por otras vías y los intermedios salen hacia otras vías. Estas vías no son sistemas cerrados. Muchos de los sustratos, intermedios y productos en una ruta particular son reactivos en otras vías.

Catabolismo lipídico

Los triglicéridos son una forma de almacenamiento de energía a largo plazo en animales. Están hechos de glicerol y tres ácidos grasos (ver Figura 7.3.1). Los fosfolípidos componen las membranas celulares y organelares de todos los organismos excepto las arqueas. La estructura de fosfolípidos es similar a los triglicéridos excepto que uno de los ácidos grasos es reemplazado por un grupo principal fosforilado (ver Figura 7.3.2). Los triglicéridos y fosfolípidos se descomponen primero liberando cadenas de ácidos grasos (y/o el grupo principal fosforilado, en el caso de los fosfolípidos) de la cadena principal de glicerol de tres carbonos. Las reacciones que descomponen los triglicéridos son catalizadas por lipasas y las que involucran fosfolípidos son catalizadas por fosfolipasas. Estas enzimas contribuyen a la virulencia de ciertos microbios, como la bacteria Staphylococcus aureus y el hongo Cryptococcus neoformans. Estos microbios utilizan fosfolipasas para destruir lípidos y fosfolípidos en las células hospedadoras y luego usan los productos catabólicos para obtener energía (ver Factores de Virulencia de Patógenos Bacterianos y Virales).

Los productos resultantes del catabolismo lipídico, glicerol y ácidos grasos, pueden degradarse aún más. El glicerol se puede fosforilar a glicerol-3-fosfato y convertirse fácilmente en gliceraldehído 3-fosfato, que continúa a través de la glucólisis. Los ácidos grasos liberados son catabolizados en un proceso llamado β-oxidación, que elimina secuencialmente grupos acetilo de dos carbonos de los extremos de las cadenas de ácidos grasos, reduciendo NAD ⁺ y FAD para producir NADH y FADH ₂, respectivamente, cuyos electrones pueden ser utilizados para producir ATP por oxidativo fosforilación. Los grupos acetilo producidos durante la β-oxidación son transportados por la coenzima A al ciclo de Krebs, y su movimiento a través de este ciclo da como resultado su degradación a CO ₂, produciendo ATP por fosforilación a nivel de sustrato y moléculas adicionales de NADH y FADH ₂ (ver Apéndice C para una ilustración detallada de la β-oxidación).

Otros tipos de lípidos también pueden ser degradados por ciertos microbios. Por ejemplo, la capacidad de ciertos patógenos, como Mycobacterium tuberculosis, para degradar el colesterol contribuye a su virulencia. Las cadenas laterales del colesterol se pueden eliminar fácilmente enzimáticamente, pero la degradación de los anillos fusionados restantes es más problemática. Los cuatro anillos fusionados se rompen secuencialmente en un proceso de múltiples etapas facilitado por enzimas específicas, y los productos resultantes, incluido el piruvato, pueden catabolizarse aún más en el ciclo de Krebs.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cómo pueden las lipasas y fosfolipasas contribuir a la virulencia en los microbios?

Catabolismo de Proteínas

Las proteínas se degradan a través de la acción concertada de una variedad de enzimas proteasas microbianas. Las proteasas extracelulares cortan las proteínas internamente en secuencias de aminoácidos específicas, descomponiéndolas en péptidos más pequeños que luego pueden ser absorbidos por las células. Algunos patógenos clínicamente importantes pueden identificarse por su capacidad para producir un tipo específico de proteasa extracelular. Por ejemplo, la producción de la proteasa extracelular gelatinasa por miembros de los géneros Proteus y Serratia puede utilizarse para distinguirlos de otras bacterias entéricas gramnegativas. Después de la inoculación y crecimiento de microbios en caldo de gelatina, la degradación de la proteína de gelatina debido a la producción de gelatinasa evita la solidificación de la gelatina cuando se refrigera. Otros patógenos pueden distinguirse por su capacidad para degradar la caseína, la principal proteína que se encuentra en la leche. Cuando se cultiva en agar de leche desnatada, la producción de la proteasa extracelular caseinasa provoca la degradación de la caseína, la cual aparece como una zona de aclaramiento alrededor del crecimiento microbiano. La producción de caseinasa por el patógeno oportunista Pseudomonas aeruginosa puede ser utilizada para distinguirla de otras bacterias gramnegativas relacionadas.

Después de la degradación de la proteasa extracelular y la captación de péptidos en la célula, los péptidos se pueden descomponer adicionalmente en aminoácidos individuales mediante proteasas intracelulares adicionales, y cada aminoácido se puede desaminar enzimáticamente para eliminar el grupo amino. Las moléculas restantes pueden ingresar entonces a la reacción de transición o al ciclo de Krebs.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Cómo puede el catabolismo proteico ayudar a identificar microbios?

Enfoque Clínico: Parte 3

Debido a que la meningitis bacteriana progresa tan rápidamente, los médicos de Hannah habían decidido tratarla agresivamente con antibióticos, basándose en la observación empírica de sus síntomas. No obstante, las pruebas de laboratorio para confirmar la causa de la meningitis de Hannah seguían siendo importantes por varias razones. N. meningitidis es un patógeno infeccioso que se puede propagar de persona a persona a través del contacto cercano; por lo tanto, si las pruebas confirman que N. meningitidis es la causa de los síntomas de Hannah, los padres de Hannah y otras personas que entraron en contacto cercano con ella podrían necesitar ser vacunados o recibir antibióticos profilácticos para disminuir su riesgo de contraer la enfermedad. Por otro lado, si resulta que N. meningitidis no es la causa, los médicos de Hannah podrían necesitar cambiar su tratamiento.

El laboratorio clínico realizó una tinción de Gram en muestras de sangre de Hannah y LCR. La tinción de Gram mostró la presencia de un diplococo gramnegativo en forma de frijol. El técnico del laboratorio hospitalario cultivó la muestra de sangre de Hannah tanto en agar sanguíneo como en agar chocolate, y la bacteria que creció en ambos medios formó colonias grises no hemolíticas. A continuación, realizó una prueba de oxidasa sobre esta bacteria y determinó que era positiva a oxidasa. Por último, examinó el repertorio de azúcares que la bacteria podría utilizar como fuente de carbono y encontró que la bacteria era positiva para el uso de glucosa y maltosa pero negativa para el uso de lactosa y sacarosa. Todos los resultados de estas pruebas son consistentes con las características de N. meningitidis.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

1. ¿Qué nos dicen los resultados de estas pruebas sobre las vías metabólicas de N. meningitidis?
2. ¿Por qué cree que el hospital utilizó estas pruebas bioquímicas para su identificación en lugar del análisis molecular mediante pruebas de ADN?

Conceptos clave y resumen

• Colectivamente, los microbios tienen la capacidad de degradar una amplia variedad de fuentes de carbono además de los carbohidratos, incluyendo lípidos y proteínas. Las vías catabólicas para todas estas moléculas eventualmente se conectan a la glucólisis y al ciclo de Krebs.
• Varios tipos de lípidos pueden degradarse microbialmente. Los triglicéridos son degradados por las lipasas extracelulares, liberando ácidos grasos de la cadena principal de glicerol. Los fosfolípidos son degradados por las fosfolipasas, liberando ácidos grasos y el grupo principal fosforilado de la cadena principal de glicerol. Las lipasas y fosfolipasas actúan como factores de virulencia para ciertos microbios patógenos.
• Los ácidos grasos pueden degradarse aún más dentro de la célula a través de la β-oxidación, que elimina secuencialmente grupos acetilo de dos carbonos de los extremos de las cadenas de ácidos grasos.
• La degradación de proteínas involucra proteasas extracelulares que degradan proteínas grandes en péptidos más pequeños. La detección de las proteasas extracelulares gelatinasa y caseinasa se puede utilizar para diferenciar bacterias clínicamente relevantes.